高月升 ，董振國 ，朱貴兵

(1.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710000；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083)

毛烏素沙地位于干旱半干旱地區(qū)，降雨量少，地下水資源相對豐富，種植區(qū)地下水埋深較淺[1，2]。農(nóng)業(yè)是毛烏素沙區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的主要支撐點(diǎn)，然而水資源嚴(yán)重制約著該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，由于該地區(qū)在作物生長期內(nèi)降雨并不總能滿足其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，導(dǎo)致作物生長過程中大量的人工漫灌，當(dāng)?shù)卮址艧o定準(zhǔn)的漫灌形式，不僅對埋深較淺的地下水帶來污染風(fēng)險而且不合理的灌溉亦會造成水資源的浪費(fèi)。探究農(nóng)田土壤水分動態(tài)特征可為減少人工漫灌、提高灌溉利用率提供科學(xué)依據(jù)，因此相關(guān)研究對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動極為重要。

淺埋的地下水與上層土壤水之間通過毛細(xì)作用、重力下滲等方式進(jìn)行著水分遷移互換[3，4]，其動態(tài)過程受降雨、蒸發(fā)、地下水埋深等因素影響[5,6]。目前針對毛烏素沙地地下水淺埋區(qū)土壤內(nèi)水分動態(tài)特征規(guī)律已有大量學(xué)者進(jìn)行研究，但這些研究主要針對生長油蒿、檸條等耐旱植物的土壤[7,8,9]。有關(guān)春玉米等當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物種植過程中的土壤水分動態(tài)特征的研究尚匱乏[10]。

本文針對陜西省榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)那泥灘村玉米田，開展農(nóng)田土壤水分動態(tài)特征研究，為農(nóng)田灌溉以及地下水資源保護(hù)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于海流兔河流域榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)那泥灘村(圖1)，位置(N38°22′34″，E109°12′48″，H1239m)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量約為 349.37 mm， 多年平均氣溫為 7.6℃， 多年平均水面蒸發(fā)量(200 mm 蒸發(fā)皿)2 035.19 mm。試驗(yàn)田所在區(qū)域內(nèi)土壤主要為砂質(zhì)土，土質(zhì)疏松，地下水豐富且埋藏較淺，植被主要是沙生植物和農(nóng)作物，農(nóng)作物以春玉米為主。

圖1 試驗(yàn)區(qū)地理位置

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)設(shè)有2個處理對照區(qū)，為梯度灌溉區(qū)與農(nóng)家漫灌區(qū)。如圖2所示，梯度灌溉區(qū)分為為A、B、C、D、E五個小區(qū)，灌溉水量分別為60 mm、 45 mm、 30 mm、15 mm、 0 mm，每個小區(qū)又分為3～4小塊，每小塊面積均為 25 m2；農(nóng)家漫灌區(qū)為F小區(qū)。本文取B小區(qū)與F小區(qū)進(jìn)行對照試驗(yàn)，因不同年份安裝的試驗(yàn)試驗(yàn)儀器有所差異，B1、B3、B4小塊各鉆取一個含水率測管，取3處含水率平均值作為B小區(qū)含水率監(jiān)測值；F小區(qū)鉆取3個含水率測管，含水率取其平均值。梯度灌溉區(qū)中間隔水帶安裝一個氣象站，用以監(jiān)測大氣降雨情況。氣象站左右兩側(cè)各鉆取一個地下水埋深觀測孔，用以監(jiān)測B、F小區(qū)的地下水埋深波動情況。

圖2 試驗(yàn)區(qū)布置

含水率使用北京奧作生態(tài)儀器有限公司生產(chǎn)的Trime含水率傳感器進(jìn)行采集，從地表10 cm深度至100 cm每隔10 cm作為一個測點(diǎn)，測量頻率一般為每5 d一次，并在灌溉降水前和灌溉降水后的 12 h、24 h、48 h、72 h加測。地下水埋深動態(tài)的監(jiān)測由荷蘭Eijkelkam公司生產(chǎn)的 MiniDiver水位傳感器自動記錄， MiniDiver水位傳感器置于試驗(yàn)場觀測孔內(nèi)地下水埋深以下，配以 MiniBaro氣壓傳感器進(jìn)行氣壓校正。氣象站主要用于監(jiān)測降雨量測量頻率為1h一次，由CR1000數(shù)字采集儀自動采集。

研究時段為春玉米的兩次全生育期，時間從2015年4月29日至2016年9月26日。根據(jù)王健等11的研究，將玉米生長階段劃分為播種、出苗、拔節(jié)、抽穗、灌漿、蠟熟、收獲七個階段，因三年玉米品種不同，作物生育期劃分略有不同。表1為試驗(yàn)區(qū)降雨、灌溉情況匯總。在播種-出苗、出苗-拔節(jié)和蠟熟-收獲期內(nèi)，玉米耗水量較少，在此生育期內(nèi)玉米生長發(fā)育主要靠降雨供給水分；拔節(jié)-抽穗、 抽穗-灌漿和灌漿-蠟熟期，是玉米生長發(fā)育的關(guān)鍵期，也是灌溉的集中期，此生長階段內(nèi)因降雨的不均，所以每年的灌溉量都略有差異；B小區(qū)次灌溉量大，灌溉頻率低，F(xiàn)小區(qū)次灌溉量小，灌溉頻率高，灌溉時間間隙較B處理短。

表1 試驗(yàn)區(qū)降雨、灌溉情況匯總 mm

2 土壤水分動態(tài)特征規(guī)律分析

土壤含水率變化主要受降水(灌溉)、作物根系吸水、包氣帶水分再分配、淺埋地下水位波動等的影響，同時研究區(qū)由于沙土保水性能弱，所以土壤含水率對降雨和灌溉的響應(yīng)時間較短。本文根據(jù)2015、2016年土壤含水率的監(jiān)測結(jié)果、降雨灌溉、地下水波動狀況認(rèn)識含水率的變化監(jiān)測時間范圍分別為： 2015年4月29日-2015年9月27日、2016年4月30日-2016年9月28日。

圖3為2015年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖。2015年玉米生育期內(nèi)降雨稀少，全生育期內(nèi)降雨190.7 mm，次最大降雨量為21.2 mm。地下水埋深波動于85.8～144.7 cm之間，于監(jiān)測期內(nèi)6月3日21.2 mm的次降雨量之后水位埋深達(dá)到最淺，之后地下水埋深總體呈持續(xù)下降趨勢，直至生育期最后一次灌溉完結(jié)(9月3日)降至最低，之后逐漸恢復(fù)。

圖3 2015年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖

可以發(fā)現(xiàn)，B、F小區(qū)含水率變化規(guī)律較為相似。0～50 cm土壤含水率隨季節(jié)變化明顯，玉米拔節(jié)期至灌漿期需水量增大，降雨滿足不了作物耗水，灌溉次數(shù)增多，引起其含水率上升；隨著作物生長發(fā)育，作物蒸騰作用增強(qiáng)加之土壤蒸發(fā)耗水導(dǎo)致0-50cm含水率下降，二者綜合作用下0～50 cm土壤含水率雖波動起伏明顯但整體趨于恒定；60 cm以下土壤含水率則主要隨地下水埋深的的變化而變化，在玉米拔節(jié)期之前60 cm以下土壤含水率隨降雨灌溉而增大，拔節(jié)期之后由于灌水頻繁而造成當(dāng)?shù)氐叵滤裆钕陆?，形成含水率隨地下水埋深的下降而下降的趨勢，在玉米灌漿后期及之后，灌溉減少，地下水埋深逐漸恢復(fù)，含水率亦隨之上升。 總體來看， 0～50 cm土壤含水率隨深度增加而減小，50～100 cm土壤含水率隨深度增加而增大。由此可見50深度土壤含水率受降雨、蒸發(fā)、灌溉、地下毛細(xì)水上升等作用綜合影響最小。

當(dāng)?shù)叵滤裆钌禃r，土壤含水率亦會相應(yīng)變化，但不同深度土壤含水率的變化與地下水埋深波動變化相關(guān)性并不相同。表2為2015年土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)系數(shù)。可以看出，B小區(qū)90 cm、80 cm深度相關(guān)系數(shù)均大于0.9，說明相關(guān)性很強(qiáng)，其中90 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.945，淺層土壤相關(guān)性很弱，10 cm、20 cm為負(fù)相關(guān)。F小區(qū)50～80 cm深度相關(guān)系數(shù)均大于0.9，其中70 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.949，淺層土壤相關(guān)性比較弱。由此可見，枯水年深層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性要比淺層強(qiáng)，但相關(guān)性最強(qiáng)的深度并不是距離地下水埋深最近的土層。

表2 2015年土壤含水率與地下水埋深相關(guān)系數(shù)

圖4為2016年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖。2016年玉米生育期內(nèi)降雨繁多，僅生育期內(nèi)降雨量就達(dá)到503.5 mm，次最大降雨量達(dá)到74.4 mm，自8月14日暴雨之后試驗(yàn)區(qū)地下水埋深急速上升達(dá)到地表以下40 cm左右，毛細(xì)水上升到達(dá)地表，整個土壤層含水率均居高不下，導(dǎo)致含水率數(shù)據(jù)無法采集，因此2016年缺少8月8日-8月25日含水率數(shù)據(jù)。

圖4 2016年田間土壤含水率與地下水埋深動態(tài)變化圖

2016年春玉米生長期內(nèi)地下水埋深波動于39.4～119.1 cm之間，4月30日至7月7日地下水埋深總體隨著春玉米的生長發(fā)育呈下降趨勢，并于7月7日達(dá)到觀測期內(nèi)最深，7月7日之后隨著降雨增多，地下水逐漸上升。

由圖4可知，8月8日前，B小區(qū)10～40 cm土壤含水率隨深度增加而減小，50～100 cm土壤含水率隨深度增加而增大；F小區(qū)0～40 cm土壤含水率較相近，且土壤相對干燥，40-100土壤含水率隨深度增加而增大；8月8日至8月25日因降雨較多，地表積水嚴(yán)重，未能采集到含水率數(shù)據(jù)；從8月26日后采集的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)30～100 cm土壤含水率比較相近，且處于高位，10～20 cm土壤含水率相對較少。

表3為2016年土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)系數(shù)，由表中可以看出，B小區(qū)10～70 cm深度相關(guān)系數(shù)大于0.9，其中60 cm相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)最大，為0.974，90 cm、100 cm深度相關(guān)性很小，而且為負(fù)相關(guān)；F小區(qū)10～40 cm相關(guān)系數(shù)大于0.9，其中40 cm相關(guān)系數(shù)最大，為0.959，深層相關(guān)性很弱，100 cm為負(fù)相關(guān)。由此說明，豐水年淺層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性較強(qiáng)，90 cm、100 cm土壤含水率變化與地下水埋深波動幾乎不相關(guān)。

表3 2016年土壤含水率與地下水埋深相關(guān)系數(shù)

總體分析2015、2016年含水率與地下水埋深變化情況可知，淺層土壤含水率是隨深度增加而變小，深層土壤含水率是隨深度增大而變大，然而深淺層的分界線因不同年份降雨量差異而有所不同，枯水年分界線為50 cm。淺層土壤含水率主要受外界環(huán)境影響，含水率因外界因素的改變而容易產(chǎn)生強(qiáng)烈波動，深層土壤含水率主要受地下水埋深升降影響，變化平穩(wěn)。不同深度的土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律的相關(guān)性不同，枯水年深層土壤中相關(guān)性比淺層強(qiáng)，但相關(guān)系數(shù)最大的深度并不是距地下水埋深最近的深度，而是70～90 cm某一深度，不同位置有所差異；豐水年淺層土壤中相關(guān)性比深層強(qiáng)。

3 結(jié)語

根據(jù)2015、2016年農(nóng)田土壤水分動態(tài)變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及前面的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)毛烏素沙地種植區(qū)淺層土壤含水率隨深度增加而變小，深層土壤含水率隨深度增加而變大，在枯水年淺層和深層的分界線為50 cm。

(2)淺層土壤含水率變化主要受降雨、蒸發(fā)、灌溉等外界因素影響，含水率波動較大。深層土壤含水率隨地下水埋深的升降而相應(yīng)地增減，這與地下水毛細(xì)上升作用有關(guān)。

(3)枯水年深層土壤含水率變化規(guī)律與地下水埋深變化規(guī)律相關(guān)性比淺層強(qiáng)，但距地下水埋深最近的深度并不是最大；豐水年淺層相關(guān)性比深層強(qiáng)。